湛江特呈岛红树林湿地土壤重金属含量特征及污染评价

2017-04-01 02:38陈碧珊苏文华罗松英吴增聪莫莹李秋琴黄仁儒
生态环境学报 2017年1期
关键词:样点红树林金属元素

陈碧珊,苏文华,罗松英,吴增聪,莫莹,李秋琴,黄仁儒

岭南师范学院地理系,广东 湛江 524048

湛江特呈岛红树林湿地土壤重金属含量特征及污染评价

陈碧珊,苏文华,罗松英,吴增聪,莫莹,李秋琴,黄仁儒

岭南师范学院地理系,广东 湛江 524048

近年来,随着沿海地区工业化和城市化的进程加快,人类活动产生的大量污染物汇集于河口和海湾地区,使得红树林湿地土壤污染日益严重。特呈岛红树林是中国古老的红树林古树群,由于养殖业发展、旅游开发等人类活动的加强,该地湿地土壤遭受了不同程度的影响。为了探讨特呈岛红树林湿地表层土壤重金属的污染特征,于2015年7月沿特呈岛南岸自西向东采集12个表层土壤样品,经过实验室处理和测试,分析砷(As)、镉(Cd)、钴(Co)、铬(Cr)、铜(Cu)、汞(Hg)、锰(Mn)、镍(Ni)、铅(Pb)、钒(V)、锌(Zn)等11种重金属的含量特征;并采用潜在生态风险指数法进行污染评价。结果表明:(1)特呈岛红树林湿地表层土壤11种主要重金属元素的含量平均值均未超过国家土壤环境质量一级标准限值;(2)Cd、As、Co、Cu、Zn等5种重金属元素的平均值均超过了环境背景值,其中Cd含量平均值是环境背景值的1.76倍;其次,As和Co含量平均值分别为环境背景值的1.39倍和1.37倍;(3)特呈岛红树林湿地表层土壤潜在生态风险总体上属于轻微-中等污染;其中,潜在生态风险较大的元素是Hg和Cd,属于中等污染;其他9种重金属元素属于轻微污染;(4)从空间分布看,TCD3和TCD10等8个样点属于中等污染,TCD12和TCD4等4个样点为轻微污染;(5)土壤重金属污染主要来自特呈岛居民和游客生活污水排放、农业化肥农药的使用和渔民船舶涂料脱落,但具体成因仍有待进一步研究。

红树林湿地;重金属;污染评价;特呈岛;湛江市

红树林分布于热带、亚热带海岸,是陆地向海洋过渡的特殊生态系统,具有防浪护岸、防风缓流、固沙聚泥、净化水质、美化环境、维持海岸生物多样性和渔业资源等多种生态功能。作为生态系统中的一个重要因素,土壤基质对红树林生态系统功能具有重要影响(徐海等,2008)。由于红树林生长于静风和弱潮的弱谷湾及河口湾环境,有利于重金属元素的沉积和固定,往往成为潜在的重金属富集区(辛琨等,2005)。金属元素尤其是重金属元素在红树林生态系统中被固定、转移以及生物富集进而威胁到陆地生物及人类的健康(程皓等,2009)。我国红树林土壤重金属研究始于20世纪50年代,特别是近20年来,随着海岸环境污染的加剧和对红树林湿地保护的愈加重视,针对红树林湿地土壤重金属元素的含量特征、污染评价、空间分布等方面开展了大量研究。对不同地区红树林湿地主要重金属含量的测定发现,一般红树林沉积物重金属含量大体表现为Mn>Zn>Cr>Ni>Cu>Pb>Co>As>Cd>Hg(赵广孺等,2011;彭辉武等,2013;Dang et al.,2005)。由于来自环境条件及人类活动的影响存在差异,不同河口红树林区沉积物重金属含量的变化范围极大(Hsu,2008;刘景春,2006,丁振华等,2009)。在同一红树林区的不同群落分布区,沉积物重金属含量也存在差异(彭辉武等,2013;Liu et al.,2015)。

广东湛江国家级红树林自然保护区于1997年成立,是中国最大的红树林生长基地(张伟等,2010)。其中,霞山区特呈岛保护小区面积50.7 hm2,整个红树林已经有500多年的历史,有100年以上古树510株,是中国古老的红树林古树群。红树林沿特呈岛南部、东南部潮间带成片分布,主要树种有白骨壤(Avicennia marina)、桐花树(Aegicerascorniculatum)、红海榄(Rhizophora stylosa)、秋茄(Kandelia candel)、海芒果(Cerbera manghas)等。由于特呈岛位于内湾,海水交换能力差,大量污染物滞留其中,红树林现已经出现群落物种多样性减少、群落矮化和稀疏、部分枯萎等现象,许多百年以上的古树已渐次死亡(高秀梅等,2008;刘亚云,2012)。红树林的减少导致海岸地带的生态环境严重退化,原有动植物资源衰退,风暴潮等自然灾害增加。随着湛江市“工业立市,以港兴市”发展战略的实施,加上宝钢湛江钢铁基地、中科炼化、晨鸣纸业等三大产业航母同时落户湛江,湛江海岸带生态环境将承受巨大的压力;此外,旅游开发、农业、养殖业、运输业和人类生活废水的排放也将给湛江红树林生态系统带来强烈的冲击。目前关于特呈岛红树林湿地土壤重金属方面的研究仍很缺乏,本研究试图通过对特呈岛红树林土壤重金属元素含量测定和潜在生态风险进行评价,深入了解特呈岛红树林土壤重金属现状和潜在污染程度,以期为区域红树林湿地土壤保护和修复工作提供参考依据。

1 研究区概况

特呈岛是湛江港内的一个小岛,其地理位置如图1所示,位于东经110°25′~110°27′,北纬21°09′~21°10′,全岛南北宽1.4 km,东西长2.7 km,海岸线长7.44 km,面积约3.6 km²。属于北热带海洋性季风气候区,常年温暖湿润,年平均气温22.3 ℃,年均降水雨量1800~2000 mm,年日照时数约2100 h。夏秋盛行偏南风,常受到台风侵袭;冬、春季盛行偏北风,受寒潮的影响较少。四周波浪全年浪高在0.5~1.4 m之间,以3级为主,潮间带为半日潮,潮高变化-27~469 cm之间。陆地地势平缓,有极厚的松散沉积层(许会敏等,2010)。特呈岛属湛江市霞山区海头街道办管辖,全岛分为里村、东村、北边门村、北宫村、后场村、新屋村、坡尾村等7个自然村。该岛主要产业和经济来源是海洋捕捞及海水网箱养殖,兼有耕农业,尚无工业企业(韩维栋,2007)。近年来,随着特呈岛基础设施的不断完善,加上特呈渔岛度假村、特呈岛红树林公园、陈武汉家等旅游景点的开发,上岛游客的数量逐年攀升(张俊等,2012)。

2 样品采集与研究方法

2.1 样品采集

2015年7月对湛江红树林保护区特呈岛保护小区进行实地考察,结合特呈岛红树林群落组成、潮位变化及人类活动影响等因素,沿特呈岛南部海岸自西向东选取12个采样点,每个样点采用梅花采样法采集样品,采样时先用塑料小铲刮去土壤表层枯枝落叶,然后采用PVC管采集表层10 cm的土壤样品,每个样点的重量约1 kg,所采集的样品装入密封的乙烯封口袋中,带回实验室。自西向东各样点名称依次为TCD1、TCD2……TCD12。各样点分布如图1所示,样点相关信息如表1所示。选取其中的6个样点进行酸碱性和粒度等理化性质分析,结果表明特呈岛红树林保护小区表层土壤呈酸性,pH值在5.5~7.8之间,平均值为6.4;表层土壤以砂为主,其次为粉砂,黏土含量最少。其中,砂含量为22.439%~98.811%,平均含量是56.642%;粉砂含量为1.189%~70.216%,平均含量是38.504%;黏土含量为0%~8.030%,平均含量是4.854%。

2.2 样品实验室处理方法

野外采集的土壤样品在实验室经过自然风干后,剔除样品中的植物根系、有机残渣以及可见侵入体后用玛瑙研钵充分研磨,过100目筛;样品经初步处理后,送往澳实矿物实验室(广州)进行测

图1 湛江特呈岛的地理位置及采样点分布图Fig. 1 The geographical location of Techeng Island in Zhanjiang and the distribution of sampling points

试,其测试方法为:样品经过王水消解和四酸(高氯酸、硝酸、氢氟酸和盐酸)消解处理后,采用ICP(电感耦合等离子体发射光谱)和MS(电感耦合等离子体质谱仪)测试,获得12个样点中砷(As)、镉(Cd)、钴(Co)、铬(Cr)、铜(Cu)、汞(Hg)、锰(Mn)、镍(Ni)、铅(Pb)、钒(V)、锌(Zn)11种重金属元素的含量。

表1 特呈岛红树林湿地表层土壤重金属样点信息Table 1 Sampling points information of heavy metals in the surface sediment of mangrove wetland in Techeng Island

2.3 数据处理方法

目前,土壤重金属污染评价主要采用富集指数法、内梅罗综合污染指数法、地累积指数法、潜在生态风险指数法等方法。其中,潜在生态危害指数法是瑞典科学家Hakanson于1980年提出的,是评价沉积物污染程度及其潜在生态危害的一种相对快速、简便和标准的方法,也是滨海湿地土壤污染相对较理想的一种评价方法,被广泛应用于土壤重金属污染评价(Hakanson,1980;黄建国,2007)。其计算过程如下:

(1)单个重金属污染物富集系数的确定(enrichment coefficient of contamination),简称

对于参比值,Hakanson提出以现代工业化前沉积物中重金属的最高背景值作为参比值;但不同研究区沉积物中重金属含量差异明显,故滕彦国等(2002)认为应以研究区沉积物背景值作为计算地质累积指数的地球化学背景值。由于本研究区典型地带性土壤为砖红壤性红壤,因此本研究采用广东省土壤环境背景值中的砖红壤重金属含量作为背景值。

(2)土壤重金属的毒性响应系数(the toxic response factor),简称值,采用Hakanson制定的标准化重金属毒性响应系数为评价依据,其毒性响应系数见表2(徐争启等,2008)。

(3)单个重金属的潜在生态风险参数(the potential ecological risk factor),简称值,按下列公式确定:

(4)多种重金属潜在生态风险指数(the potential ecological risk index),简称RI值,等于所有重金属潜在生态风险系数的总和。按下列公式确定:

表2 不同重金属的毒性系数Table 2 The toxicity factor of different heavy metals

表3 重金属污染潜在生态风险指标和分级分析Table 3 Indices and grades of potential ecological risk index of heavy metal pollution

3 实验结果分析

3.1 表层土壤重金属含量特征

特呈岛红树林湿地12个样点表层土壤的11种重金属元素含量的平均值如表4所示。由表可知,特呈岛红树林湿地11种重金属含量大体表现为Mn>V>Zn>Cr>Pb>Cu>As>Ni>Co>Cd>Hg。通过与国家《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)中一级标准及雷州半岛土壤环境背景值的对比可知,特呈岛11种重金属元素的含量平均值都没有超过国家土壤环境质量一级标准;但是As、Cd、Co和Cu在个别样点接近国家环境质量标准限值。与雷州半岛土壤环境背景值对比可知,Cd、As、Co、Cu、Zn等5种重金属元素的平均值均超过环境背景值。其中,Cd的平均值是环境背景值的1.76倍;其次是As和Co,分别是环境背景值的1.39倍和1.37倍。Hg、Mn、Ni等元素仅在个别样点含量高于环境背景值;Cr、Pb、V等 3种元素的含量比较低,所有样点的含量均没有超过环境背景值。

与湛江高桥红树林湿地沉积物重金属含量进行对比发现,特呈岛除Cd外,其他重金属As、Cr、Cu、Pb、Zn含量均低于高桥红树林保护区,主要原因可能是受到土壤粒度的影响,特呈岛表层土壤总体上以砂为主,颗粒较粗,不利于重金属的沉积和富集;而高桥红树林分布区的土壤主要以粉砂、粘土为主,其表面积大、有机质含量高因而较易富集重金属,更有利于重金属的沉积(李柳强等,2008)。与福建泉州湾、海南东寨港、广东福田等其他红树林分布区进行对比发现,特呈岛11种重金属元素含量明显偏低,主要与湛江市经济相对发展落后,区内污染工业和企业分布较少有关。而珠江三角洲地区,特别是深圳福田重金属含量高,主要原因是深圳福田红树林保护区内工业发达,陆源污染严重(李瑞利等,2012)。海南东寨港周边水产养殖发达,含重金属的化肥、农药等农业污水的汇入,使海南东寨港红树林湿地的重金属平均含量偏高(季一诺,2016)。与印度、巴拿马、巴西和墨西哥等地区相比,特呈岛表层土壤重金属含量总体上也偏低,仅Cd、Cr、Ni、Pb等4种重金属含量略高于印度海岸;As高于巴西地区海岸。

表4 特呈岛与其他典型红树林湿地重金属元素质量分数对比Table 4 Comparison of heavy metal element mass fraction in mangrove sediments of Techeng Island and other mangrove wetlands

3.2 表层土壤重金属富集程度及潜在生态风险分析

通过采用潜在生态风险指数法计算潜在生态富集系数、潜在生态风险参数及潜在生态风险指数值(RI),获得特呈岛红树林湿地表层土壤重金属富集程度和潜在生态风险程度。

3.2.1 表层土壤重金属元素富集程度分析

特呈岛红树林湿地表层土壤不同重金属元素潜在生态富集系数如表5所示,其中,As、Cd、Co、Cu、Hg、Zn等6种金属,属于中等污染;Cr、Ni、Pb、V、Mn等5种金属,属于轻微污染。11种重金属元素污染程度排序如下:Hg>Cd>As>Co>Zn>Cu>Mn>Ni>Pb>Cr>V。

从不同样点看,Hg有10个样点为中等污染,2个样点为轻微污染,以TCD10污染最为严重。As有9个样点属于中等污染,3个样点为轻微污染,以TCD5污染最为严重。Zn有8个样点属于中等污染,4个样点为轻微污染。Cd有2个样点属于强污染,分别是TCD10和TCD11,7个样点为中等污染,3个样点属于轻微污染。Cu在TCD3样点属于强污染,有6个样点属于中等污染,5个样点为轻微污染。Mn有2个样点属于中等污染,其他10个样点为轻微污染。Co和Ni均有11个样点属于轻微污染,以TCD10污染最严重,表现为强污染;Ni以TCD2污染最严重,为中等污染;Cr、Pb和V等3种元素属于轻微污染。

3.2.2 表层土壤重金属元素潜在生态风险分析

特呈岛红树林湿地表层土壤11种重金属潜在生态风险参数如表6所示。由表可知,Hg和Cd潜在生态风险参数平均值在40~80之间,属于中等污染;其中,以Hg的污染最严重,潜在生态风险参数在80~160之间的有6个样点,污染程度表现为TCD5=TCD1>TCD3>TCD7>TCD9>TCD2,属于强污染。其他9种重金属元素潜在生态风险参数平均值均小于40,均属于轻微污染,污染程度表现为As>Co>Cu>Ni>Pb>Zn>Cr>Mn>V。

从多个重金属的综合潜在生态危害指数来看,特呈岛红树林湿地潜在生态风险指数值在35.692~246.312之间,平均值为164.856,属于轻微污染。对各个样点潜在生态风险程度进行分析,发现TCD2、TCD3、TCD5、TCD7、TCD8、TCD9、TCD10和TCD11等8个样点属于中等污染,TCD1、TCD4、TCD6和TCD12等4个样点为轻微污染。其中样点TCD1~TCD3处于耕地附近,耕作过程常用到有机肥、堆肥、粪便和化肥农药等,导致土壤中As、Cd、Cu、Hg、Zn等重金属含量较高。样点TCD5~TCD11靠近居民点,附近为生活污水排放和当地渔民出海捕鱼渔船停靠的地方,野外调研中也见有污水排污管和废弃的渔船。由于污水排放和废弃渔船涂料脱落,导致As、Cd、Hg、Zn等元素含量较高。样点TCD4和TCD12远离耕地和居民点,土壤重金属含量受到人为干扰很少,表现为轻微污染。

4 结论

本文对湛江特呈岛红树林湿地表层土壤重金属元素进行含量测定,并采用潜在生态风险指数法对表层土壤重金属污染程度进行评价,得到以下结论:

(1)由特呈岛表层土壤11种重金属元素含量可知,特呈岛红树林湿地11种重金属含量大体表现为Mn>V>Zn>Cr>Pb>Cu>As>Ni>Co>Cd>Hg,均没有超过国家土壤环境质量一级标准;Cd、As、Co、Cu、Cu等5种重金属元素的平均值均超过环境背景值,其中Cd污染最严重,平均值为背景值的1.76倍;As和Co平均值分别是环境背景值的1.39倍和1.37倍。与世界其他典型红树林湿地沉积物重金属含量进行对比发现,重金属含量总体上保持较低的水平。

表5 特呈岛红树林湿地表层土壤重金属元素富集系数Table 5 The heavy metal element enrichment coefficient of contamination in the surface sediment of the mangrove wetland in Techeng Island

表6 特呈岛红树林湿地表层土壤重金属潜在生态风险参数和潜在生态风险指数Table 6 The potential ecological risk facter and potential ecological risk index of heavy metals in the surface sediment of the mangrove wetland in Techeng Island

(2)由特呈岛表层土壤重金属潜在生态风险评价结果可知,特呈岛红树林湿地总体上属于轻微-中等污染,其中潜在生态风险较大的是元素Hg和Cd,属于中等污染,其余重金属元素属于轻微污染;其中TCD2、TCD3、TCD5、TCD7、TCD8、TCD9、TCD10和TCD11等8个样点存在中等污染,TCD1、TCD4、TCD6和TCD12等4个样点存在轻微污染。

(3)重金属元素主要受区域沉积环境和物质来源的影响,就特呈岛红树林湿地而言,特呈岛上没有工业、矿业和企业,重金属主要污染源是农业化学农药残留、居民生活污水排放和渔船涂料脱落。其中,TCD1~TCD3样点位于耕地附近,主要污染源为农业污染;TCD5~TCD11靠近居民点,主要污染源为生活污水及船舶涂料;采样点TCD4和TCD12远离耕地和居民点,土壤污染程度低。

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The Features and the Pollution Assessments of Heavy Metals in the Surface Sediments of Mangrove Wetland in Techeng Island, Zhanjiang

CHEN Bishan, SU Wenhua, LUO Songying, WU Zengcong, MO Ying, LI Qiuqin, HUANG Renru
Department of Geography, Lingnan Normal University, Zhanjiang 524048, China

In recent years, as the process of industrialization and urbanization in coastal areas are speeding up, a large number of pollutants produced by human activities are found in estuaries and bays, making the soil pollution of mangrove wetland become increasingly serious. Being known as the oldest and most beautiful ancient mangrove floral in China, the Techeng Island mangrove wetland has actually suffered from varying degrees of influence due to the intensification of human activities like aquaculture development, tourism development and so on. In order to research the pollution features of heavy metals in surface soils of Techeng mangrove wetland, 12 surface sediment samples were collected along the south bank of Techeng Island from west to east in July 2015. Based on pretreatment and laboratory test, the characteristics of 11 kinds of heavy metals were analyzed; and the potential ecological risk index method was used to evaluate the level of pollution. The results are as follows: (1) The average concentrations of 11 major heavy metal elements in the surface sediment did not exceed the National soil environment quality level standard; (2) The average concentrations of Cd, As, Co, Cu and Zn had exceeded the environment background value; among them, the average concentration of Cd element was1.76 times of the environment background value; Followed by the average concentration of As and Co was1.39 and 1.37 times respectively of the environment background value; (3) In general, the potential ecological risk of surface sediment in Techeng Island mangrove wetland was mild-moderate pollution. Among them, the Hg and Cd element got higher potential risk, belong to the medium pollution; and the other 9 kinds of heavy metal elements belong to the slight pollution; (4) From the spatial distribution, 8 samples, such as TCD3 and TCD10, belong to the medium pollution; the other 4 samples, like TCD12 and TCD4, belong to the slightly pollution. And (5) the heavy metal pollution in the surface sediment mainly resulted from the discharge of domestic sewage, the use of agricultural chemical fertilizer and the fishermen ship paint off, and this caused by the residents and tourists of Techeng Island, but this still needs further study.

mangrove wetland; heavy metal; pollution assessment; Techeng Island; Zhanjiang

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.01.024

X144; X825

A

1674-5906(2017)01-0159-07

陈碧珊, 苏文华, 罗松英, 吴增聪, 莫莹, 李秋琴, 黄仁儒. 2017. 湛江特呈岛红树林湿地土壤重金属含量特征及污染评价[J]. 生态环境学报, 26(1): 159-165.

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国家自然科学基金项目(41606053);广东省自然科学基金项目(2016A030310364);“攀登计划”广东大学生科技创新培育项目(pdjh2016b0302);岭南师范学院人才引进专项项目(ZL11701)

陈碧珊(1982年生),女,讲师,博士,主要从事环境演变、气候变化等研究。

2016-10-14

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神奇的红树林
走过红树林
基于分融策略的土壤采样设计方法*
环境监测中重金属元素分析方法探析
微波消解-HR-CS GFAAS法快速顺序测定秀珍菇中金属元素